Forscher haben ein selbstbetriebenes Mikronadelpflaster entwickelt, mit dem sich verschiedene Gesundheitsbiomarker überwachen lassen, ohne dass Blut abgenommen werden muss oder Batterien oder externe Geräte erforderlich sind. In Proof-of-Concept-Tests mit synthetischer Haut zeigten die Forscher, dass die Pflaster über Zeiträume von 15 Minuten bis 24 Stunden Biomarkerproben sammeln können.
„Biomarker sind messbare Indikatoren für biologische Prozesse, die uns helfen können, den Gesundheitszustand zu überwachen und Erkrankungen zu diagnostizieren“, sagt Michael Daniele, korrespondierender Autor eines Artikels über die Arbeit. „Die überwiegende Mehrheit der konventionellen Biomarkertests basiert auf der Entnahme von Blutproben. Blutproben sind nicht nur für die meisten Menschen unangenehm, sondern stellen auch medizinisches Fachpersonal und Technologieentwickler vor Herausforderungen. Denn Blut ist ein komplexes System, und man muss Blutplättchen, rote Blutkörperchen usw. entfernen, bevor man die relevante Flüssigkeit testen kann.“
„Das von uns entwickelte Pflaster verwendet Mikronadeln, um Proben der Flüssigkeit zu entnehmen, die die Zellen in den dermalen und epidermalen Schichten direkt unter der obersten Zellschicht unserer Haut umgibt“, erklärt Daniele, Professor für Elektrotechnik an der North Carolina State University und am Lampe Joint Department of Biomedical Engineering der University of North Carolina und der University of North Carolina in Chapel Hill. „Diese sogenannte dermale interstitielle Flüssigkeit (ISF) enthält fast alle Biomarker, die auch im Blut vorkommen. Darüber hinaus ist die ISF eine ‚sauberere‘ Probe – sie muss nicht wie Blut vor der Untersuchung aufbereitet werden. Im Wesentlichen vereinfacht sie den Biomarker-Testprozess.“
Daniele und seine Mitarbeiter haben ein vollständig passives Mikronadelpflaster entwickelt, das weder Batterien noch externe Energiequellen benötigt, um ISF-Proben zu entnehmen oder zu speichern. So funktioniert es:
Das Pflaster besteht aus vier Schichten: einem Polymergehäuse – dem sichtbaren Teil des Pflasters; einer Gelschicht; einer Papierschicht; und den Mikronadeln selbst. Die Mikronadeln bestehen aus einem Material, das bei Kontakt mit der ISF aufquillt. Die ISF sickert durch die Mikronadel – wie Wasser durch ein Papiertuch –, bis sie mit dem Papier in Kontakt kommt. Wenn das Papier die ISF aufnimmt, kommt die Flüssigkeit mit dem Gel auf der anderen Seite des Papiers in Kontakt. Dieses Gel enthält eine hohe Glycerinkonzentration. Das Ungleichgewicht des Glycerins zwischen Gel und ISF erzeugt einen osmotischen Druck, der mehr ISF durch das Papier zieht, bis es gesättigt ist.
„Das Papier ist der Ort, an dem der ISF gespeichert ist“, erklärt Daniele. „Wenn man das Pflaster abnimmt, entfernt man den Papierstreifen und analysiert die Probe.“
Die Forscher testeten das Pflaster an zwei synthetischen Hautmodellen.
„Es hat gut funktioniert“, sagt Daniele. „Die Pflaster lieferten bereits nach 15 Minuten messbare Ergebnisse und konnten die Biomarkerproben mindestens 24 Stunden lang speichern.“
Für den Proof-of-Concept-Test überwachten die Forscher den Cortisolspiegel, einen Biomarker für Stress, der im Tagesverlauf schwankt.
„Das bedeutet, dass die Menschen den Zustand mehrmals täglich überwachen möchten, ohne sich ständig Blut abnehmen zu müssen“, sagt Daniele. „Und es gibt keinen Grund, warum das Pflaster bei vielen der in der ISF gefundenen Biomarker nicht funktionieren sollte.“
Ein weiterer attraktiver Aspekt der Pflaster besteht darin, dass sie aus relativ preiswerten Materialien hergestellt werden, die überall erhältlich sind.
„Die Herstellung der Mikronadeln würde die größten Kosten verursachen, aber wir glauben, dass der Preis im Vergleich zu den Kosten einer Blutuntersuchung konkurrenzfähig wäre“, sagt Daniele. „Für die Blutentnahme braucht man Fläschchen, Nadeln und – in der Regel – einen Phlebotomisten. Für das Pflaster ist nichts davon nötig.“
Die Forscher haben bereits mit Tests der Pflaster an Menschen begonnen und entwickeln elektronische Geräte, um den Papierstreifen des Mikronadelpflasters zu „lesen“.
Das Papier „ Design and Characterization of a Self-Powered Microneedle Microfluidic System for Interstitial Fluid Sampling “ wird im Fachjournal Lab on a Chip als Open Access veröffentlicht . Co-Leitautoren sind Christopher Sharkey, ein Doktorand an der NC State; Angélica Aroche, eine Doktorandin in der gemeinsamen Abteilung für Biomedizintechnik von Lampe an der NC State und der University of North Carolina in Chapel Hill; und Isabella Agusta, eine Studentin in der gemeinsamen Abteilung für Biomedizintechnik. Co-Autoren sind Hannah Nissan, eine Doktorandin an der NC State; Tamoghna Saha und Sneha Mukherjee, ehemalige Doktorandinnen an der NC State; Michael Dickey, Camille und Henry Dreyfus, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State; Orlin Velev, S. Frank und Doris Culberson, angesehener Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der NC State; und Jack Twiddy, Postdoktorand in der gemeinsamen Abteilung für Biomedizintechnik.
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